- بطاريات الليثيوم أيون:
- المسؤول
- تشكيل SEI:
- أهمية وتأثيرات SEI
- الخصائص الوظيفية لـ SEI
- السيطرة على SEI
تكتسب بطاريات الليثيوم أيون مزيدًا من الاهتمام في هذه الأيام نظرًا لتطبيقها الواسع في السيارات الكهربائية ، ونسخ الطاقة الاحتياطية ، والهواتف المحمولة ، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، والساعات الذكية ، وغيرها من السلع الإلكترونية المحمولة ، وما إلى ذلك ، يتم إجراء الكثير من الأبحاث حول بطاريات الليثيوم مع زيادة الطلب على السيارات الكهربائية لأداء أفضل بكثير. أحد العوامل المهمة التي تقلل من أداء وعمر بطارية الليثيوم هو تطوير واجهة إلكتروليت صلبة (SEI) ،هذه طبقة صلبة تتكون داخل بطارية الليثيوم عندما نبدأ في استخدامها. يؤدي تكوين هذه الطبقة الصلبة إلى منع المرور بين الإلكتروليت والأقطاب مما يؤثر بشدة على أداء البطارية. في هذه المقالة ، سوف نتعلم المزيد عن واجهة المنحل بالكهرباء الصلبة (SEI) ، وخصائصها ، وكيف تتشكل ، وسنناقش أيضًا كيفية التحكم فيها لزيادة أداء بطارية الليثيوم وعمرها. لاحظ أن بعض الأشخاص يطلقون أيضًا على واجهة المنحل بالكهرباء الصلبة مثل الطور البيني للكهرباء الصلبة (SEI) ، يتم استخدام كلا المصطلحين بشكل تبادلي لأوراق البحث الشاملة وبالتالي يصعب الجدال حول المصطلح الصحيح. من أجل هذه المقالة ، سوف نتمسك بواجهة إلكتروليت صلبة.
بطاريات الليثيوم أيون:
قبل أن نتعمق في SEI ، دعنا نراجع قليلاً أساسيات خلايا Li-ion حتى نفهم المفهوم بشكل أفضل. إذا كنت جديدًا تمامًا على السيارات الكهربائية ، فتحقق من مقالة كل ما تريد معرفته عن بطاريات السيارات الكهربائية لفهم بطاريات المركبات الكهربائية قبل المضي قدمًا.
تتكون بطاريات الليثيوم أيون من الأنود (القطب السالب) والكاثود (القطب الموجب) والإلكتروليت والفاصل.
الأنود: يعد الجرافيت ، وأسود الكربون ، وتيتانات الليثيوم (LTO) ، والسيليكون ، والجرافين من أكثر مواد الأنود المفضلة. الأكثر شيوعًا هو الجرافيت المطلي بورق النحاس المستخدم كأنود. يتمثل دور الجرافيت في العمل كوسيط تخزين لأيونات الليثيوم. يمكن إجراء عملية الإقحام العكسي لأيونات الليثيوم المحررة بسهولة في الجرافيت نظرًا لبنيتها ذات الطبقات غير المترابطة.
الكاثود: الليثيوم النقي الذي يحتوي على إلكترون واحد على غلافه الخارجي شديد التفاعل وغير مستقر ، لذا فإن أكسيد معدن الليثيوم المستقر المطلي بورق الألمنيوم المستخدم ككاثود. أكاسيد معدن الليثيوم مثل أكسيد الكوبالت الليثيوم والنيكل والمنغنيز ("NMC" ، LiNixMnyCozO2) ، وأكسيد الألومنيوم والنيكل والكوبالت ("NCA" ، LiNiCoAlO2) ، وأكسيد المنغنيز الليثيوم ("LMO" ، LiMn2O4) ، وفوسفات الحديد الليثيوم ("LFP") ، أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO2 ، "LCO") ككاثودات.
المنحل بالكهرباء: يجب أن يكون المنحل بالكهرباء بين الأقطاب السالبة والموجبة موصلًا أيونيًا جيدًا وعازلًا إلكترونيًا مما يعني أنه يجب أن يسمح بأيونات الليثيوم وعليه منع الإلكترونات من خلاله أثناء عملية الشحن والتفريغ. الإلكتروليت عبارة عن خليط من مذيبات الكربونات العضوية مثل كربونات الإيثيلين أو كربونات ثنائي إيثيل وأملاح أيونات الليثيوم مثل سداسي فلورو الفوسفات الليثيوم (LiPF6) ، فوق كلورات الليثيوم (LiClO4) ، سداسي فلورو أسيتات الليثيوم أحادي الهيدرات (LiAsF6) ، الليثيوم ثلاثي الفلورات رباعي فلوروبورات (LiBF4).
الفاصل: الفاصل هو عنصر حاسم في المنحل بالكهرباء. يعمل كطبقة عازلة بين الأنود والكاثود لتجنب ماس كهربائى بينهما مع السماح لأيونات الليثيوم من الكاثود إلى الأنود والعكس بالعكس أثناء الشحن والتفريغ. في بطاريات الليثيوم أيون ، يتم استخدام البولي أوليفين في الغالب كفاصل.
المسؤول
أثناء عملية الشحن ، عندما نقوم بتوصيل مصدر طاقة عبر البطارية ، يتم تنشيط ذرة الليثيوم ، وتعطي أيونات الليثيوم والإلكترونات عند القطب الموجب. تمر أيونات الليثيوم هذه عبر الإلكتروليت ويتم تخزينها في القطب السالب ، بينما تنتقل الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية. أثناء عملية التفريغ عندما نقوم بتوصيل الحمل الخارجي عبر البطارية ، تنتقل أيونات الليثيوم غير المستقرة المخزنة في القطب السالب إلى أكسيد المعدن عند القطب الموجب وتدور الإلكترونات عبر الحمل. هنا تعمل رقائق الألمنيوم والنحاس كمجمعات للتيار.
تشكيل SEI:
في بطاريات Li-ion ، بالنسبة للشحن الأول ، تكون كمية أيون الليثيوم التي يعطيها القطب الموجب أقل من عدد أيونات الليثيوم التي يتم إرجاعها إلى الكاثود بعد التفريغ الأول. ويرجع ذلك إلى تكوين SEI (واجهة إلكتروليت صلبة). بالنسبة لدورات الشحن والتفريغ القليلة الأولى ، عندما يتلامس الإلكتروليت مع القطب ، تتفاعل المذيبات في الإلكتروليت المصحوبة بأيونات الليثيوم أثناء الشحن مع القطب وتبدأ في التحلل. ينتج عن هذا التحلل تكوين مركبات LiF و Li 2 O و LiCl و Li 2 CO 3. تترسب هذه المكونات على القطب وتشكل طبقات بسمك نانومتر قليلة تسمى واجهة إلكتروليت صلبة (SEI) . تحمي طبقة التخميل هذه القطب من التآكل وزيادة استهلاك الإلكتروليت ، ويحدث تكوين SEI على مرحلتين.
مراحل تكوين SEI:
تحدث المرحلة الأولى من تكوين SEI قبل إدراج أيونات الليثيوم في الأنود. في هذه المرحلة ، تتشكل طبقة SEI غير مستقرة وعالية المقاومة. تحدث المرحلة الثانية من تكوين طبقة SEI في وقت واحد مع إقحام أيونات الليثيوم على الأنود. فيلم SEI الناتج هو مسامي ، مضغوط ، غير متجانس ، عازل لنفق الإلكترونات وموصّل لأيونات الليثيوم. بمجرد تشكل طبقة SEI ، فإنها تقاوم حركة الإلكتروليت من خلال طبقة التخميل إلى القطب. بحيث يتحكم في التفاعل الإضافي بين أيونات الإلكتروليت والليثيوم والإلكترونات في القطب وبالتالي يقيد نمو SEI الإضافي.
أهمية وتأثيرات SEI
طبقة SEI هي المكون الأكثر أهمية والأقل فهمًا في المنحل بالكهرباء. على الرغم من أن اكتشاف طبقة SEI حدث عرضي ، إلا أن طبقة SEI الفعالة مهمة من أجل العمر الطويل والقدرة الجيدة على ركوب الدراجات والأداء العالي والسلامة والاستقرار للبطارية. يعد تكوين طبقة SEI أحد الاعتبارات المهمة في تصميم البطاريات للحصول على أداء أفضل. يحافظ SEI الملتصق جيدًا على الأقطاب الكهربائية على قدرة جيدة على ركوب الدراجات من خلال منع زيادة استهلاك الإلكتروليت. يعمل الضبط المناسب لمسامية وسمك طبقة SEI على تحسين توصيل أيونات الليثيوم من خلالها ، مما يؤدي إلى تحسين تشغيل البطارية.
أثناء التكوين غير القابل للعكس لطبقة SEI ، يتم استهلاك كمية معينة من الإلكتروليت وأيونات الليثيوم بشكل دائم. وبالتالي فإن استهلاك أيونات الليثيوم أثناء تكوين SEI يؤدي إلى فقدان دائم للقدرة. سيكون هناك نمو SEI مع العديد من الشحنات المتكررة ودورات التفريغ ، مما يتسبب في زيادة مقاومة البطارية وارتفاع درجة الحرارة وضعف كثافة الطاقة.
الخصائص الوظيفية لـ SEI
SEI أمر لا مفر منه في البطارية. ومع ذلك ، يمكن تقليل تأثير SEI إذا كانت الطبقة المتكونة تلتزم بما يلي
- يجب أن يمنع التلامس المباشر للإلكترونات مع المنحل بالكهرباء لأن التلامس بين الإلكترونات من الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت يتسبب في تدهور وتقليل الإلكتروليت.
- يجب أن يكون موصلًا أيونيًا جيدًا. يجب أن يسمح لأيونات الليثيوم من الإلكتروليت بالتدفق إلى الأقطاب الكهربائية
- يجب أن يكون مستقرًا كيميائيًا مما يعني أنه لا يمكن أن يتفاعل مع المنحل بالكهرباء ويجب أن يكون غير قابل للذوبان في الإلكتروليت
- يجب أن يكون مستقرًا ميكانيكيًا مما يعني أنه يجب أن يتمتع بقوة عالية لتحمل ضغوط التمدد والانكماش أثناء دورات الشحن والتفريغ.
- يجب أن تحافظ على الاستقرار في درجات حرارة وإمكانيات التشغيل المختلفة
- يجب أن يكون سمكها قريبًا من بضعة نانومترات
السيطرة على SEI
يعد الاستقرار والتحكم في SEI أمرًا ضروريًا لتحسين الأداء والتشغيل الآمن للخلية. تتحكم الطلاءات ALD (ترسيب الطبقة الذرية) و MLD (ترسيب الطبقة الجزيئية) على الأقطاب في نمو SEI.
Al 2 O 3 (طلاء ALD) مع فجوة نطاق 9.9 eV مغلفة على أدوات التحكم في القطب وتثبّت نمو SEI بسبب معدل نقل الإلكترون البطيء. سيؤدي ذلك إلى تقليل تحلل الإلكتروليت واستهلاك أيونات الليثيوم. بنفس الطريقة ألكوكسيد الألومنيوم ، يتحكم أحد طلاءات MLD في تراكم طبقة SEI. تقلل طلاءات ALD و MLD من فقد السعة ، وتحسن كفاءة الكولومبية.